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物理所發(fā)現(xiàn)非晶合金表面超快動(dòng)力學(xué)行為及超晶格生長

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物理所發(fā)現(xiàn)非晶合金表面超快動(dòng)力學(xué)行為及超晶格生長

摘要: 　　超晶格由于其精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理特性，引起了人們廣泛的興趣和關(guān)注，也為尋找新材料和新光源開辟了新的領(lǐng)域。分子束外延（MBE）作為一種原子級的加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對生長厚度、結(jié)構(gòu)與成分的精確控制，是 ...

　　超晶格由于其精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理特性，引起了人們廣泛的興趣和關(guān)注，也為尋找新材料和新光源開辟了新的領(lǐng)域。分子束外延（MBE）作為一種原子級的加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對生長厚度、結(jié)構(gòu)與成分的精確控制，是制備超晶格的最有利工具。然而其自身也面臨諸多問題，例如制備設(shè)施昂貴、操作程序復(fù)雜、生長條件苛刻、對襯底依賴性強(qiáng)等，這些都極大地限制了超晶格的發(fā)展和應(yīng)用。因此，尋找新的超晶格生長機(jī)制和方法是目前材料科學(xué)和技術(shù)追求的目標(biāo)之一。
　　最近，中國科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）汪衛(wèi)華學(xué)習(xí)組與谷林課題組合作，發(fā)現(xiàn)Pd基等多種塊體非晶態(tài)合金（又稱金屬玻璃）在低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)（Tg）的溫度條件下退火，可在金屬玻璃自由表面穩(wěn)定地生長出類超晶格結(jié)構(gòu)。
　　非晶態(tài)合金，是由高溫熔體通過快速冷卻技術(shù)形成的合金材料，在動(dòng)力學(xué)上被稱為“凍結(jié)的液體”。作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單、各向同性的玻璃態(tài)物質(zhì)，非晶態(tài)合金是學(xué)習(xí)玻璃本征特性的理想體系。在高溫條件下，金屬液體粘度極�。▋H為約10-4 Pa s），整體呈現(xiàn)宏觀流動(dòng)行為。隨著溫度的降低，當(dāng)從液體的各態(tài)歷經(jīng)（Ergodic）向玻璃態(tài)的各態(tài)歷經(jīng)破缺（Broken-ergodic）的轉(zhuǎn)變時(shí)（即玻璃轉(zhuǎn)變過程，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度粘度約為1012 Pa s），這種宏觀流動(dòng)行為將被凍結(jié)。然而，這種宏觀流動(dòng)的凍結(jié)并不是“完全”的。由該課題組此前實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)表明【Applied Physics Letters 107， 141606 (2015)】：在玻璃轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)以下的溫區(qū)，非晶合金的自由表面仍處于類液體狀態(tài)。
　　這是由于金屬玻璃自由表面原子受到來自周圍鄰近原子的“動(dòng)力學(xué)限制”比體內(nèi)弱，使其表面原子擴(kuò)散速率約比體內(nèi)原子快105倍以上，這為高度有序的晶體自組織生長提供了絕佳的環(huán)境條件。該學(xué)習(xí)組選用具有優(yōu)異抗氧化和玻璃形成能力的Pd40Ni10Cu30P20合金體系，采用在低于Tg的溫度長時(shí)間等溫退火方法，在金屬玻璃無序表面上實(shí)現(xiàn)了大面積、大晶格周期的、類超晶格調(diào)制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定生長。并基于高分辨透射和球差電鏡觀測、X射線光電子能譜分析，探索和揭示了其微觀機(jī)理。學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)分子束外延方法中超晶格結(jié)構(gòu)在單晶襯底上沉積生長，在546 K (Tg-20K)下該金屬玻璃的晶化行為起始于其原子級無序表面（圖1）；隨著退火時(shí)間延長，在表面穩(wěn)定持續(xù)地生長出具有一定厚度且高度有序的類超晶格結(jié)構(gòu)（圖2）；基于不同深度元素分析測量表明，表面原子與體內(nèi)原子擴(kuò)散速率的脫耦機(jī)制是該晶體的微觀結(jié)構(gòu)起源（圖3）；通過改變生長條件，發(fā)現(xiàn)較高溫度下（Tg-10K以上）該非晶合金體系隨溫度升高，逐漸從表面晶化轉(zhuǎn)變成體內(nèi)晶化并形成傳統(tǒng)多晶（圖4），這表明表面超晶格結(jié)構(gòu)的形成可在Tg點(diǎn)附近，通過簡單的調(diào)控溫度來實(shí)現(xiàn)（圖5）。由于生長條件簡單且無需襯底輔助，該學(xué)習(xí)工作極大地簡化了超晶格的制備工藝，降低制造成本，為超晶格結(jié)構(gòu)的可控生長提供了新思路和新方法。相關(guān)結(jié)果近期以Fast surface dynamics of metallic glass enable superlattice-like nanostructure growth 為題發(fā)表在物理評論快報(bào)上【Physical Review Letter 118， 016101 (2017)】。
　　該項(xiàng)學(xué)習(xí)工作得到國家自然科學(xué)基金軟磁集團(tuán)項(xiàng)目（51571209）、“973”項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號2015CB856800）、中科院前沿局重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。



　　圖1. Pd40Ni10Cu30P20在546 K (=Tg- 20 K)下不同時(shí)間退火的XRD 圖譜。插圖：退火200 h樣品的晶化層(約100 nm)可由離子減薄去除，表明該溫度下晶化行為只發(fā)生于近表層。



　　圖2. 類超晶格微觀結(jié)構(gòu)圖。（a）在546 K(=Tg- 20 K)退火200 h樣品的球差電鏡截面圖。插圖:對應(yīng)選區(qū)電子衍射圖。（b）圖（a）中選區(qū)B放大圖。超晶格沿箭頭方向?qū)邮酵庋由L。（c）超晶格微觀結(jié)構(gòu)放大圖。



　　圖3. 各元素分布分析。
　　圖（a）-（d）分別為圖2（b）選區(qū)E中元素Pd，Ni，Cu，P分布圖，箭頭指出各元素的擴(kuò)散方向。（e）各元素所占百分比隨深度的變化。表明近自由表面原子層呈現(xiàn)類液體狀態(tài)，而內(nèi)部的原子處于凍結(jié)狀態(tài)。



　　圖4. 不同溫度下退火相同時(shí)間。（a）Pd40Ni10Cu30P20在不同溫度下退火200 h的XRD 圖譜。(b)在556 K（(=Tg- 10 K)）在高分辨透射電鏡圖。（c）圖（b）中選區(qū)放大圖。在較高溫下，晶化形成傳統(tǒng)多晶。



　　圖5. 超晶格（a）與傳統(tǒng)多晶（b）的微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理圖。物理所發(fā)現(xiàn)非晶合金表面超快動(dòng)力學(xué)行為及超晶格生長  |  責(zé)任編輯：蟲子
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